Nukleus ve Nukleolus (Çekirdek ve Çekirdekçik)

Doç.Dr.Pınar AKSOY SAĞIRLI


Tüm ökaryotik hücrelerde bulunur
Nukleusu olmayan hücreler
Eritrosit
Trombosit
Mercek Lifleri



Ökaryot ile prokaryotları ayıran temel
özelliktir.
Hem genetik bilginin deposu hem kontrol
merkezidir.
DNA replikasyonu ve transkripsiyonu nukleus
içinde gerçekleşir.
Hücre büyüklüğü ile orantılıdır (5-10µM)
Kural dışı hücrelerde vardır
Küçük hücre, büyük nukleus içeren
lenfositler gibi
Oositler ise büyük hücrelerdir ancak
küçük nukleus içerirler (30-40µM)
1.Genellikle hücre merkezinde (sentral nükleus)
2.Bazen hücre bazalinde (bazal nükleus)
Örn: Prizmatik epitel hücreleri
3.Hücrenin bir tarafına çekilmiş (eksantrik nükleus)
Örn: Plazma hücresi
• Çoğu hücre tek nükleuslu
• Binuklear (iki nükleuslu) hücreler



Karaciğerde hepatositlerin 1/3’ü
Leydig hücreleri (testis)
HCl salgılayan hücreler (mide)
• Polinüklear hücreler (çok
nükleuslu)


Osteoklast (5-10 nükleus)
Desidual hücre (plasenta)
Hücre
genomunun
nükleus
membranı ile
sarılarak sitoplazmadan ayrılması gen anlatımının
ökaryotlara özgü mekanizmalarla düzenlenmesini
sağlar. Ökaryotlarda;
Nükleus
 DNA replikasyonu
 Transkripsiyon
 RNA işlenmesi
Sitoplazma
· Translasyon
Prokaryot hücrelerde ise bütün işlemler sitoplazmada
gerçekleşir
1. Gen ekspresyonu,
Transkripsiyon sonrası mekanizmalarla ve
Transkripsiyon sırasında proteinlerin
(Transkripsiyon faktörlerinin) nukleusa taşınması ile
düzenlenir.
2. DNA nukleus içine kapatılarak sitoiskelet sistemi
tarafından etkilerden korunuz
1. Nükleus



zarfı (Karyolemma)
İç membran
Perinuklear aralık
Dış membran
Kromatin
2.

DNA + Protein (Histon ve Histon
olmayan Proteinler)
3.
Nükleolus
4.
Nükleoplazma (Nukleus matriksi)



Nükleus ve sitoplazma arasında bariyer oluşturur.
Nükleus membranları da diğer membranlar gibi çift katlı
fosfolipidlerden oluşur ve sadece küçük hidrofobik
moleküllere karşı geçirgendir.
Her bir zarın kalınlığı 7-10 nm kadar olup iki zar arasında
perinükleer aralık adı verilen 20-40 nm genişliğinde bir
açıklık vardır.

Dış ve iç zar devamlı bir yapıda değildir; Bazı
bölgelerde kaynaşarak nükleoplazma ile sitoplazma
arasında
iletişim
sağlayan
Nükleer
porları
oluştururlar.

Dış zar GER ile devam eder.

Nükleer zarf her iki taraftan da filamentlerle kuşatılmıştır.

Dış zarı kuşatan filamentler az organize olmuş iken
İç zarın içini fibröz bir ağ
şeklinde kuşatan
filamentler oldukça
düzgün sıralanmıştır.
Bu yapıya “Nükleer lamina”
denir.
Yapısı
Lamina, Lamin proteinlerinden oluşur
(Lamin A, Lamin B(1-2), Lamin C)
Laminler araçapta filament ailesi üyesidir
(60-80 kDa)
Laminler birbiriyle bağlanarak önce ikili moleküller oluşturur
daha sonra bunların da bir araya gelmesiyle ipliksi yapılar
oluşur.
• İpliksi proteinlerin yan
yana düzenlenmesiyle
nükleer
laminanın kafesi andıran yapısı oluşur.
•
•
•
•
•
•
İşlevi
 Kromatin için tutunma bölgeleri oluşturur
 Nükleus membranına destek sağlar
Lamin mutasyonları
• Nükleus zarfı bozulur
• Musküler distrofi nedeni (Lamin A mutasyonu)
• Miyopatiler vb.
• Progeria (Hızlı Yaşlanma)
Mitoz ve laminlerin etkisi

Mitoz sırasında nükleus zarfı dağılır.

Lamin B küçük membran veziküllerine
bağlı durumda kalır.

Lamin A ve C ise sitoplazmada
çözünmüş durumdadır
•Laminler fosforile oldugu zaman, ayrisirlar. Nukleer kılıf vezikullerine ayrılır.
•Defosforilasyon ise bu durumu tersine çevirir ve çekirdeğin tekrar düzenlenmesi
sağlanır.

Nükleus izole edilip protein, lipid, RNA ve DNA içeriği özel
yöntemlerle ortadan kaldırılırsa, nükleusta fibröz bir protein
ağı bozulmadan geriye kalır.

Bu yapıya nükleus matriksi (Nükleoplazma) denir.

Böyle işlemlerden geçirilen
nükleuslar elektron
mikroskobu ile
incelendiğinde nükleus
matriksinin esas olarak
fibrilsi elemanlardan
oluştuğu görülür.
Görevi

Yapısal bir kafes oluşturur.

Kromozomların nükleus içerisindeki düzenini sağlar.

DNA transkripsiyonu ve DNA replikasyonunun
düzenlenmesini sağlar (matriks proteinleri ilgili
enzimleri içerir).



DNA’daki özel diziler, matriksi oluşturan proteinlere
bağlanır.
Bu dizilere matriks ile ilişkili bölgeler (MAR) adı
verilir.
Böylece kromozomların
genlerin nukleus içinde
düzenlenmesine ve gen
anlatımı ve DNA
replikasyonunun
düzenlenmesine katkıda
bulunur




Nükleos içerisinde yer alan,
bir zarla çevrilmemiş, nükleusa oranla daha
homojen bir yapıdır.
Yuvarlak veya oval biçimli ve oldukça koyu
renklidir
Çapı 0.5 ile 5.0µM’dir
Histolojik kesitlerde bazik boyalarla koyu
olarak boyanır.



Çoğu memeli nukleusu, 1-5 nukleolusa
sahiptir
Nükleolus içinde ribozom biyojenezinin çeşitli
aşamaları gerçekleşir.
Herbir hücre döngüsünde yaklaşık 5 milyon
ribozom sentezlenmesi







rRNA genleri
rRNA transkripsiyonu
Öncül RNA’lar
rRNA işlenmesi
Olgun rRNA’lar
Sno RNP’ler (rRNA işlenmesi)
Ribozomal alt üniteler
Nukleolus içinde Üç temel alan vardır
1. Fibriler merkez (FC)
2. Yoğun fibriler komponent (DFC)
3. Granüler komponent (GC)


Fibriler merkez
-sirküler yapıdadır ve Nucleer Orginizer
Region, NOR’u temsil eder rRNA gen
tekrarlarının olduğu kromatin
-Aktif olarak büyüyen hücrelerde, NOR’ların
rRNA gen dizileri çözülmüş olup, birkaç FC
halindedir
- Aktif olarak transkribe edilen genler, FC ile
DFC sınırında bulunur

Yoğun fibriler komponent
-Yeni rRNA’ların oluştuğu ve bazıların
işlenmeye başladığı alan
-Nükleolar DFC, genellikle FC’nin etrafında bir
kenar oluşturur, bazen yumru şeklindedir.
-Yüksek konsantrasyonda RNP içerir ve
bundan dolayı elektron yoğundur.

Granüler komponent
FC ve DFC, 3. nükleolar alanı temsil eden
nükleolar GC olarak isimlendirilen
paketlenmiş 15nm’lik granür yapısının içine
yerleşmiştir.
Ribozomal altünitelerin birleştiği alandır.




Nükleolar morfoloji, hücrenin genel
metabolizmasını yansıtır
Örneğin, insan periferal kan lenfositleri
genellikle içinde sadece bir FC görülen tek ufak
bir nükleolusa sahiptir
Hücre aktif olduğu zaman nükleolus büyür,biçimi
ve integral organizasyonu değişir.
Fitohemoglotunin ile uyarılan lenfositlerde
kültürün 24-48 saattinden sonra birkaç FC li bir
veya birkaç nükleolus görülür.


Kanser hücreleri genellikle yüksek protein
sentezi ve yüksek rRNA transkripsiyon düzeyi
ile karakterize edilir
Bu nedenlerden dolayı nukleolusun sayı,
büyüklüğü ve morfolojisi, insan kanserlerinde
teşhis belirteci olarak kullanılabilir.
Nükleolusun tekrar oluşma süreci telofazda
başlar;
Daha önceki hücre siklüsünden NOR ile ilişkili
kalan işlenmemiş pre-RNA ve işlemsel faktörler
major rol oynar
 Nükleolar komponentlerin birçoğu, NOR ile
ilişkili olan prenükleolar cisimler olarak
adlandırılan partiküllerle birleşir




Nukleolus , her mitozun profaz aşamasında
DFC ve GC’nin dağılmaya başlamasıyla dağılır
Bu dağılma nükleolar proteinlerin
fosforilasyonu ile idare edilir.
En son FC, tek başına mitotik kromozomlarla
ilişkili olarak kalır.


Yüksek ökaryotların somatik hücrelerinde
onlarca/yüzlerce, bitki hücrelerinde binlerce
ribozomal gen vardır
Bu genler bir veya birkaç kromozomda ardı
ardına (tandem) tekrarlar şeklinde dizilmiştir.
NTS, transkribe edilmeyen aralık; ETS, ekternal transkribe edilen aralık; ITS, internal trankribe
edilen aralık


Ribozomal RNA lokusu, tanem gen tekrarları
ve bunları ayıran ara bölge şeklinde organize
olmuştur.
Bu genlerin toplam uzunluğu 40.000 baz
çiftidir




Nukleolus ile ilişkili bölgelere NOR, Nucleola
Organizer Region denmektedir
Her bir NOR, bir kromozomdaki tandem (ardı
ardına) tekrarlayan rRNA gen kümesine denk
gelir.
Bu genlerin miktarı (trankripsiyonu ile birlikte)
nükleolusun morfolojisini oluşturmaktadır.
13, 14, 15, 21 ve 22. kromozomlardaki genlerin
(NOR bölgelerinin) interfaz sırasında bir araya
gelmesi nukleolusu oluşturur.
45S (28S+5.8S+18S)rRNA geni
Yaklaşık 300-400 kopyası vardır
He birinde 50-70 kopyanın olduğu 5 farklı
lokalizasyon; insanlarda 13, 14,15,21 ve 22.
akrosentrik kromozomlarda lokalizedir.
 RNA pol 1 tarafından transkripsiyon







5S rRNA geni
Yaklaşık 2000 kopyası vardır
Kromozom 1’de loklizedir
RNA pol III tarafından transkripsiyon

Herbir ribozomal gen ünitesi genellikle bir
transkribe edilen dizi ve eksternal transkribe
edilmeyen aralık şeklinde organize olmuştur.
İnsanlardaki rRNA genleri;
13kb transkripsiyon ünitesi+30kb
transkribe edilmeyen bölge şeklinde organize
olmuştur.


Nüklear por kompleksleri (NPK) küçük
polar moleküllerin, iyonlarınve
makromoleküllerin (Proteinler, RNA) geçişine izin
veren yapılardır.




Nükleoporinler vertebralılarda
proteinden oluşur.
50-100 farklı
125 milyon Dalton
120 nm çapında
Bir
hücre
nükleusunda yaklaşık olarak 3000-5000
NPK vardır.




Ufak polar moleküllerin, iyonların ve
makromoleküllerin (proteinler, RNA) geçişine
izin veren yapılardır.
120nm çaında büyük yapılardır 125.000Kdalton
(ribozomdan 30 kat daha büyüktür)
Vertabralılarda nükleoporin adı verilen 30 farklı
proteinin birçok kopyasından (50-100 protein)
oluşur.
Bir hücre nükleosunda yaklaşık 3000-5000 NPK
vardır.








Merkezi bir kanal etrafında dizilmiş sekiz çubuk ve
çubukların tutunduğu halkalardan oluşur.
Bu yapı iç ve dış nükleer membranla birleşmiştir.
Halkalardan sitoplazmik yüzde olan Sitoplazmik
Halka denir,
Nükleer yüzde olana ise Nükleer Halka denir.
Nükleer Lamina ile etkileşir
Sitoplazmik halkadan sitoplazmik filamanlar uzanır.
Nüklear halkadan ise sepet filamanları uzanır.
Terminal halka ile birleşerek “Nüklear sepeti”
oluşturur
Nuclear Pore

NPK’sini oluşturan nükleoporinler tekrar dizilerden
oluşmaktadır.

Üçte birindeki tekrar diziler FG (fenilalanin-glisin)
tekrarları şeklindedir (XFXFG ve GLFG). Diğerlerinde
farklı tekrar dizileri vardır.


Tekrar diziler proteinlere esneklik
proteinlerle etkileşimini kolaylaştırır.
sağlayarak
diğer
FG nükleopoteinleri çoğunlukla simetrik olarak dağılmıştır.
Bununla beraber, NPK’sinin sitoplazmik ve nüklear
yüzeylerinde primer olarak lokalize olmuşlardır.

Moleküller NPK’lerinden iki yolla geçerler;
• Pasif Difüzyon
• Aktif Transport,
NPK yoluyla saniyede 1000 molekül geçiş yapar.
Pasif Difüzyon:
Ufak moleküller ve 20-60 kDa’dan daha küçük proteinler
bu yolla geçer.
Bu mekanizmanın kullanıldığı NPK çapı 9 nm’dir.
Geçiş çift yönlüdür.
Aktif Transport
Enerji harcanarak gerçekleşen seçici bir transporttur.


Bu mekanizmanın kullanıldığı NPK çapı ortalama 25
nm’dir (9-40nm).
Molekül geçişi uygun bir sinyale yanıt olarak tek yönlü
olarak gerçekleşir.




İki kompartman arasında makromoleküllerin
taşınımı ile ilgili nükleer taşınım reseptörleri
vardır bunlara Karyoferinler denir.
karyoferin reseptörlerine importin-β aileside
denir.
En az 20 üyesi vardır
Bu üyeleerden bazılarının görevi
makromoleküllerin sitoplazmadan nükleusa
taşınması (import-importinler) diğerlerinin
görevi ise makromoleküllerin nükleustan
sitoplazmaya taşınmasıdır (eksport-eksportin)


Sitoplazmadan nükleusa geçecek olan
moleküller Nükleer yerleşim Sinyali=NLS adı
verilen spesifik aminoasid dizilerine sahip
olmalıdır.
Bu moleküller; histonlar, DNA polimeraz,
RNA polimeraz, transkripsiyon faktörleri,
laminler ve bazı hnRNP (kırpılma faktörleri)




NLS dizileri genellikle bazik aminoasidlerden
(Lizin ve Arginin) zengin dizilerdir.
Bazen bu diziler bölünmüş iki dizi şeklinde
olabilir. Aradaki dizilerin fonksiyonu yoktur.
Farklı dizileri tanıyan farklı reseptörler vardır
Enerji gerektiren bir taşımadır.



Bu moleküller Nükleer çıkış sinyali (NES) taşır.
Bu diziler kısa (5-6 aa) lösince zengindirler
Enerji gerektiren bir taşımadır.





Basit transportta,
İmportin beta kargo molekülündeki NLS veya
NES’lerine direkt olarak bağlanır ve transport
gerçekleşir.
Adaptör aracılı transportta
Adaptör proteinler kargo molekülündeki NLS
veya NES’lerine bağlandıktan sonra İmportin
beta adaptör proteine bağlanır ve transport
gerçekleşir.
İmportin alfa en iyi bilinen adaptör proteindir.
Nukleus proteini
Sitozol
Nukleus yerleşim sinyali
Nukleus geçit
kompleksi
Nukleoplazma





Kompleksteki importin NPK’deki sitoplazmik
flamentlere bağlanır.
Bu bağlanma sadece importin-kargo protein
kompleksi oluştuğu zaman gerçekleşir
İmportinler nükleoporinlerin FXFG tekrarlarına
bağlanır.
Ardından Ran/GTP’nin kArgo/İmportin
kompleksine bağlanmasıyla kargo protein
nükleusta serbest kalır.
İmportin-Ran/GTP, nükleer por kompleksinden
sitoplazmaya geri yollanır.
Ran GAP tarafından Ran/GTP’ nin GTPaz
Aktivitesi aktive edilir ve Ran/GDP’ye
dönüşür.Böylece İmportin ve Ran/GDP
Ayrılır.
İmportin sitoplazmada yeni fonksiyon
hazırdır.
Ran/GDP ise NTF2, nükleer trnsport factor
2’ye bağlanarak NPK’dan tekrar
kullanılacağı nükleusa döner.
Nükleus içinde Ran-GEF (RCC1) tarafından Ran/GTP’ye (fonksiyonel form) dönüştürülür


Ran-GAP (Ran-GTPaz aktive edici protein) ve
Ran-GEF (Ran-Guanine nükleotid değişim
faktörü) enzmilerinin asimetrik dağılımları
Ran proteininin iki farklı formunun
oluşumuna ve nükleer tranportun
regülasyonuna olanak verir.
Sonuç olarak sitosolde Ran-GDP dominant,
nükleer kısımda ise Ran-GEF vardır ve RanGTP dominanttır.
Eksportin-Ran/GTP komleksi sitopalzmaya taşınacak
olan kargo proteine bağlanır ve NPK’den sitopalzmaya
taşınır.
 Farklı NES dizilerine spesifik farklı eksportinler vardır;
CAS, İmportin-alfa ve snurportin-1; CRM1, lösinzengin NES, snRNA; Ekportin-t, tRNA; Eksportin 5,
miRNA
 Sitosolde Ran/GTP’nin, Ran-GAP tarafından
uyarılması ile kompleks (Eksportin/Kargo/Ran-GDP)
dağılır.
 Eksportin ve Ran/GDP nükleer pordan nükleusa girer.
Ran/GDP nükleusta Ran-GEF tarafndan Ran/GTP’ye
dönüştürülür.



Bir üçüncü sinyal tipi daha vardır; NRS
(nuclear retention signal) nükleer
kompartımanda tutma sinyali
Bu sinyali taşıyan proteinler immatür
RNA’lara bağlanarak onların olgunlaşmadan
sitoplazmadan çıkmalarını önler



Proteinlerin fonksiyonu onların lokalizasyonu ile
ilişkilidir.
Cinsiyet belirlenmesinde önemli regülatör
fonksiyona sahip SRY (Sex-determining Region
Y) transkripsiyon faktörünü kodlayan genin NLS
bölgesi ile ilişkili mutasyonlar, gelişimin
sürecinde nükleusta bulunması gereken SRY’nin
sitoplazmada kalmasına neden olur
Sonuç olarak dişi olarak gelişen 46XY karyotipli
erkekler gelişir



Bazı proteinler hem NES hem NLS taşır
Örneğin, hnRNP (Hetero nükleroprotein
parçacıkları)
Exportin 1

Nükleus içine alınacak proteinlerdeki
NLS’lerin inhibitör proteinler ile kapatılması
Bir uyarı durumunda inhibitör
proteinlerin yıkılması ve NLS’lerini
açığa çıkartarak transport gerçekleşir.



Nükleus içine alınacak proteinlerdeki
NLS’lerinin fosforillenerek gizlenmesidir.
Defosforilasyon ile bölge açılarak import
sağlanır
Sitoplazmada görev
yapacak olan
rRNA,
mRNA,
tRNA
nükleustan sitoplazmaya
ribonükleoproteinler şeklinde
taşınırlar
 Kompleksteki bazı proteinler NES taşır


rRNA’lar ribonükleoprotein şeklinde taşınır
(rRNA+ribozomal protein)

Taşınma ile ilişkili ,CRM1 (eksportin)’dir.

tRNA ile etkileşen eksportin-t taşınmayı
sağlar


İntronların çıkartılması için slicesomal
kompleks ile ilişkili öncü-mRNA (hnmRNA)
kesim işlemi bitene kadar nükleustan
çıkamaz.
Sadece olgun mRNA nükleustan çıkabilir.
• Nukleer por kompleksi mRNA’yi tanır ve seçici olarak olgun mRNA’nın
geçişine izin verir.
• Nukleer kısıtlayıcı proteinler (RNA poly II, snRNP’ler, hnRNP/ intron
kompleksleri) nukleer cıkıstan hemen once uzaklastırılırlar.
• Mekik dokuyan proteinler(shuttling) mRNA’nin Çıkışına yardımcı olmak
için baglı kalırlar.(hnRNP A1, SR proteinleri, CBC)
• mRNA molekulunun cekirdekten cikisi Ran-Bagimli degildir. Fakat tRNA ve
snRNA’nin cikisi Ran-bagimlidir.

snRNA’lar başlangıçta
sitoplazmaya transfer edilerek
yapısını tamamlayacak olan
snRNP’ler ile birleşir

snRNP’lerin 5’-CAP dizilerine
bağlanan proteinler (bunlardan
biri, exportin CRM1) onların
sitoplazmaya eksportunu sağlar.
Daha sonra 5’CAP ikinci kez
metillenir ve proteinler ayrılır.

snRNA taşıdığı NLS’ler
sayesinde, snRNA’ların
sitoplazmadan nükleusa importu
sağlanır.
DNA’nın paketlenmesi
Nucleosomes
11 nm
30
nm
Tight helical fiber
Metaphase
Chromosom
e
700 nm
200 nmLooped Domains
2 nm
B DNA Helix
Protein scaffold